WO2024232194A1

WO2024232194A1 - 内燃機関

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Publication number: WO2024232194A1
Application number: PCT/JP2024/013634
Authority: WO
Inventors: 俊宏谷; 好二百瀬
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2023-05-11
Filing date: 2024-04-02
Publication date: 2024-11-14

Abstract

この内燃機関は、キャビティ（ＣＡ）において、中心軸（Ａ）から径方向の外側に向かって延びるとともに、徐々に前記シリンダヘッドから遠ざかる底壁（５１０）と、底壁（５１０）に連通し、径方向において外側に凸となるように湾曲する複数の凹部壁（５２０）と、底壁（５１０）と凹部壁（５２０）との間に設けられる段差部（５５０）と、を含み、段差部（５５０）は、平面視した場合に円弧形状である。その結果、底壁（５１０）に沿って流れる噴霧火炎（Ｂ２）は、段差部（５５０）に沿って流れることから、噴霧火炎（Ｂ２）は、底壁（５１０）から引き剥がされて（図中の破線（ＶＩＩ）で囲む領域）、キャビティ（ＣＡ）の中央に向かい、燃料と残存空気との混合がより促進されて、燃焼効率の向上を図ることが可能となる。

Description

内燃機関

　この発明は、内燃機関に関する。

　例えば、特表２０１１－５０２２２６号公報（特許文献１）には、シリンダと、ピストンと、シリンダヘッドと、燃料噴射装置と、を備える内燃機関が開示されている。ピストンの上面には、ピストンボウルが設けられている。ピストンボウルは、上向きに開いた外側ボウル部と、外側ボウル部の円周上に均等に配置された突起と、を有している。

特表２０１１－５０２２２６号公報

　特許文献１に記載される内燃機関では、外側ボウル部のうち突起を挟んで周方向に互いに隣接する部位の各々に衝突した火炎は、突起によって燃焼室における中央部に向かおうとする。このとき、突起を挟んで互いに隣接する火炎同士が干渉することにより、外側ボウル部の近傍で火炎が滞留する場合がある。この場合、燃焼室における中央部の空気の利用が促進されないため、燃焼効率が低下する。

　本発明の目的は、燃焼室における燃焼の改善が可能な内燃機関を提供することである。

　この発明の一局面に従った内燃機関は、円筒状の内周面を有するシリンダライナと、前記シリンダライナに接続されており、吸気口および排気口を有するシリンダヘッドと、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、前記排気口を開閉する排気バルブと、前記シリンダライナに対して前記シリンダライナの中心軸方向に相対移動可能で、前記シリンダヘッドと対向する位置において燃焼室を形成するキャビティを有するピストンと、前記シリンダヘッドから前記キャビティに向かって燃料を噴射するインジェクタと、を備え、前記インジェクタは、前記燃焼室における中央部から前記シリンダライナの径方向における外側に前記燃料を噴射し、前記キャビティは、中心軸から径方向の外側に向かって延びるとともに、徐々に前記シリンダヘッドから遠ざかる底壁と、前記底壁に連通し、径方向において外向きに凸となるように湾曲する複数の凹部壁と、前記底壁と前記凹部壁との間に設けられる段差部とを含み、前記段差部は、平面視した場合に円弧形状である。

　この発明によれば、燃焼室における燃焼の改善が可能な内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関を概略的に示す平面図である。図１中のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図である。ピストンのキャビティの斜視図である。キャビティを概略的に示す平面図である。実施の形態におけるキャビティの段差部の側面形状を示す断面図である。比較例におけるキャビティの側面形状に従った噴霧火炎の流れを示す断面模式図である。実施の形態におけるキャビティの段差部の側面形状に従った噴霧火炎の流れを示す断面模式図である。実施の形態におけるキャビティの他の段差部の形態を示す断面図である。実施の形態におけるキャビティの他の段差部の形態を示す断面図である。実施の形態におけるキャビティの段差部の配置を示す平面図である。実施の形態におけるキャビティの段差部の他の配置を示す平面図である。実施の形態におけるキャビティの段差部の他の配置を示す平面図である。

　この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

　（内燃機関１）
　図１および図２を参照して、本発明の一実施形態における内燃機関１の概略構成について説明する。図１は、内燃機関１を概略的に示す平面図、図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図である。

　内燃機関１は、シリンダライナ１００と、シリンダヘッド２００と、吸気バルブ３００と、排気バルブ４００と、ピストン５００と、インジェクタ６００と、を備えている。図１および図２には、１気筒のみが示されているが、内燃機関１は、多気筒型にも適用可能である。シリンダライナ１００は、円筒状に形成されている。

　シリンダヘッド２００は、シリンダライナ１００の端部に接続されている。シリンダヘッド２００は、円板状に形成されている。シリンダヘッド２００は、吸気口ｈ１と、排気口ｈ２と、を有している。吸気バルブ３００は、吸気口ｈ１を開閉する。吸気バルブ３００は、シリンダヘッド２００に保持されている。排気バルブ４００は、排気口ｈ２を開閉する。排気バルブ４００は、シリンダヘッド２００に保持されている。

　ピストン５００は、シリンダライナ１００に対して当該シリンダライナ１００の中心軸方向（図２における上下方向の中心軸Ａ）に沿って相対移動可能である。図２に示されるように、ピストン５００は、シリンダヘッド２００と対向する位置に形成されたキャビティＣＡを有している。キャビティＣＡは、ピストン５００の天面５０４からシリンダヘッド２００から離間する向き（図２における下向き）に窪む形状を有している。

　具体的には、中心軸Ａから径方向の外側に向かって延びるとともに、徐々にシリンダヘッド２００から遠ざかる底壁５１０を有している。このキャビティＣＡを含むピストン５００とシリンダヘッド２００との間に燃焼室が形成される。ピストン５００は、キャビティＣＡを区画する区画壁５０２を構成する。

　インジェクタ６００は、シリンダヘッド２００のうちシリンダライナ１００の中心軸Ａに対して対向する位置に設けられている。インジェクタ６００は、シリンダヘッド２００からキャビティＣＡに向かって燃料を噴射する。より詳細には、インジェクタ６００は、燃焼室における中央部からシリンダライナ１００の径方向における外側に燃料を噴射する。

　図３および図４も参照して、ピストン５００の区画壁５０２について詳細に説明する。図３は、ピストンのキャビティの斜視図、図４は、キャビティを概略的に示す平面図である。図２～図４を参照して、区画壁５０２は、底壁５１０と、円周上に沿って、所定のピッチで複数個配置された凹部壁５２０と、隣接する凹部壁５２０の間には、内方に向かって延びる突出壁５３０とを有している。

　底壁５１０は、シリンダライナ１００の中心軸Ａ方向にインジェクタ６００と対向している。図２に示されるように、底壁５１０は、中心軸Ａ方向にインジェクタ６００と対向する中央部から前記径方向における外側に向かうにしたがって次第にシリンダヘッド２００から離間するように傾斜する形状を有している。

　凹部壁５２０は、底壁５１０に沿って見た場合には、陸上トラック型の楕円形状を有している。凹部壁５２０は、径方向において外側に凸となるように湾曲する形状を有している。凹部壁５２０は、シリンダライナ１００の周方向に環状に複数個、所定のピッチで配置されている。凹部壁５２０は、インジェクタ６００から噴射された燃料が着火することにより形成される噴霧火炎Ｂと衝突する位置に形成されている。本実施の形態では、凹部壁５２０はシリンダライナ１００の周方向に環状に９個配置されているが、数量は適宜設定されるものであり、本実施の形態の数量に限定されない。

　各突出壁５３０は、隣接する凹部壁５２０の間において、燃焼室における中央部に向かって突出する形状を有している。本実施の形態では、突出壁５３０の数は、凹部壁５２０と同数の９個となる。

　次に、図５から図７を参照して、凹部壁５２０と底壁５１０との関係について説明する。図５は、キャビティＣＡ内の段差部５５０の側面形状を示す断面図、図６は、比較例におけるキャビティＣＡの側面形状に従った噴霧火炎の流れを示す断面模式図、図７は、キャビティＣＡ内の段差部５５０の側面形状に従った噴霧火炎の流れを示す断面模式図である。

　図５を参照して、底壁５１０（Ｓ１で示す領域）と凹部壁５２０（Ｓ２で示す領域）との間には、段差部５５０が設けられている。段差部５５０は、底壁５１０からシリンダヘッド２００からさらに遠ざかる方向に延びる直線部Ｄ１で構成される。よって、底壁５１０と段差部５５０との連結部には、変局点となる頂点Ｐ１が設けられる。段差部５５０と凹部壁５２０の連結部（頂点Ｐ１との反対側）は、凹部壁５２０の接線方向に直線部Ｄ１が延びる形態となる。その結果、段差部５５０は、外側から内側に向かってシリンダヘッド２００の方向に延びる（上向きに延びる）傾斜面を構成する。凹部壁５２０の段差部５５０とは反対側（シリンダヘッド２００側）には、内側に延びる曲面状のリップ部Ｒ１が設けられている。

　図５に示すように、中心軸Ａを含む仮想平面での断面に沿って見た場合、中心軸Ａから凹部壁５２０の段差部５５０までの第１水平間距離Ｌ１とし、段差部５５０を含み凹部壁５２０の底面の最外部Ｐ２までの第２水平間距離Ｌ２とした場合の長さの比は、約２：１であるとよい。または、約２：１となる比よりも第２水平間距離Ｌ２が小さくなるような寸法比であることが好ましい。

　ここで、図６および図７を比較して、噴霧火炎の流れについて説明する。図６は、従来の段差部が設けられていない場合の、キャビティＣＡ内の側面形状に従った噴霧火炎Ｂの流れを示す。インジェクタ６００から噴射された燃料が着火することにより形成される噴霧火炎Ｂは、凹部壁５２０に衝突し、リップ部Ｒ１を境にして、シリンダライナ１００側の外側（スキッシュ域）に流れる噴霧火炎Ｂ１と、凹部壁５２０の底面および底壁５１０に沿って流れる噴霧火炎Ｂ２とに分離する。底壁５１０に沿って流れる噴霧火炎Ｂ２は、噴霧火炎Ｂ２が底壁５１０に接触しながらキャビティＣＡの中央に向かって流れるため、空気との混合が阻害され、且つピストンに熱を奪われて燃焼効率向上を妨げる要因となる。

　他方、図７に示すように本実施の形態に示す段差部５５０を備える場合には、底壁５１０に沿って流れる噴霧火炎Ｂ２は、段差部５５０に沿って流れることから、噴霧火炎Ｂ２は、底壁５１０から引き剥がされて（図中の破線ＶＩＩで囲む領域）、キャビティＣＡの中央に向かうこととなる。その結果、燃料と残存空気との混合がより促進されて、等容度向上、冷却損失低減、スモーク低減、その他の燃焼効率の向上を図ることが可能となる。

　図８および図９を参照して、段差部５５０の他の形態について説明する。図８および図９は、キャビティＣＡ内の他の段差部の形態を示す断面図である。図８に示す段差部５５０Ａは、底壁５１０と凹部壁５２０との間において、底壁５１０側に急峻な側壁５００ｗが設けられた略三角形状の段差部の形状である。この形態においても、上記した段差部５５０と同様の作用効果を得ることができる。

　また、図９に示す段差部５５０Ｂは、底壁５１０側において起立する第１側壁５５０ｘおよび凹部壁５２０に落ち込む第２側壁５５０ｙを有する上方に延びる略搭状のの段差部の形状である。この形態においても、上記した段差部５５０と同様の作用効果を得ることができる。

　次に、図１０から図１２を参照して、段差部を平面視した場合の配置について説明する。図１０は、キャビティＣＡ内の段差部５５０の配置を示す平面図、図１１および図１２は、キャビティＣＡ内の段差部の他の配置を示す平面図である。

　図７で示した形態の段差部５５０は、各凹部壁５２０の配置に沿って、底壁５１０側に設けられていることから、図１０に示すように、円周上に円弧形状に所定のピッチで分離して配置されることとなる。たとえば、図１１に示すように、突出壁５３０の底壁５１０側にも、段差部５５０を設け、平面視において、円環状の段差部５５０Ｃを設けることによって、より燃料と残存空気との混合がより促進されて、燃焼効率の向上を図ることが可能となる。

　他の形態として、図１２に示すように、円周上に所定のピッチで分離して配置された段差部５５０の隙間を埋めるように、段差部５５０の内側に、さらに、段差部５５０Ｄを設けることによって、より燃料と残存空気との混合がより促進されて、燃焼効率の向上を図ることが可能となる。

　［態様］
　上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

　（態様１）
　円筒状の内周面を有するシリンダライナと、
　上記シリンダライナに接続されており、吸気口および排気口を有するシリンダヘッドと、
　上記吸気口を開閉する吸気バルブと、
　上記排気口を開閉する排気バルブと、
　上記シリンダライナに対して上記シリンダライナの中心軸方向に相対移動可能で、上記シリンダヘッドと対向する位置において燃焼室を形成するキャビティを有するピストンと、
　上記シリンダヘッドから上記キャビティに向かって燃料を噴射するインジェクタと、
　を備え、
　上記インジェクタは、上記燃焼室における中央部から上記シリンダライナの径方向における外側に上記燃料を噴射し、
　上記キャビティは、
　中心軸から径方向の外側に向かって延びるとともに、徐々に上記シリンダヘッドから遠ざかる底壁と、
　上記底壁に連通し、径方向において外向きに凸となるように湾曲する複数の凹部壁と、
　上記底壁と上記凹部壁との間に設けられる段差部と、含み、
　上記段差部は、平面視した場合に円弧形状である、内燃機関。

　（態様２）
　上記段差部は、上記底壁から上記シリンダヘッドからさらに遠ざかる方向に延びる直線部を有する、態様１に記載の内燃機関。

　（態様３）
　上記凹部壁を上記底壁に沿って見た場合には、陸上トラック型の楕円形状であり、
　上記凹部壁は、円周上に沿って、所定のピッチで複数個配置され、
　隣接する上記凹部壁の間には、区画壁が設けられ、
　複数の上記凹部壁毎に、上記段差部が設けられている、態様１または態様２に記載の内燃機関。

　（態様４）
　上記中心軸から上記凹部壁の上記段差部までの第１水平間距離とし、上記段差部を含み上記凹部壁の底面の最外部までの第２水平間距離とした場合の長さの比は、約２：１となる比よりも上記第２水平間距離の方が小さい、態様１から態様３のいずれか１項に記載の内燃機関。

　なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

　１　内燃機関、１００　シリンダライナ、２００　シリンダヘッド、３００　吸気バルブ、４００　排気バルブ、５００　ピストン、５５０，５５０Ａ，５５０Ｂ，５５０Ｃ，５５０Ｄ　段差部、５００ｗ　側壁、５０２　区画壁、５０４　天面、５１０　底壁、５２０　凹部壁、５３０　突出壁、５５０ｘ　第１側壁、５５０ｙ　第２側壁、６００　インジェクタ。

Claims

　円筒状の内周面を有するシリンダライナと、
　前記シリンダライナに接続されており、吸気口および排気口を有するシリンダヘッドと、
　前記吸気口を開閉する吸気バルブと、
　前記排気口を開閉する排気バルブと、
　前記シリンダライナに対して前記シリンダライナの中心軸方向に相対移動可能で、前記シリンダヘッドと対向する位置において燃焼室を形成するキャビティを有するピストンと、
　前記シリンダヘッドから前記キャビティに向かって燃料を噴射するインジェクタと、
　を備え、
　前記インジェクタは、前記燃焼室における中央部から前記シリンダライナの径方向における外向きに前記燃料を噴射し、
　前記キャビティは、
　中心軸から径方向の外側に向かって延びるとともに、徐々に前記シリンダヘッドから遠ざかる底壁と、
　前記底壁に連通し、径方向において外側に凸となるように湾曲する複数の凹部壁と、
　前記底壁と前記凹部壁との間に設けられる段差部と、を含み、
　前記段差部は、平面視した場合に円弧形状である、
　内燃機関。
　前記段差部は、前記底壁から前記シリンダヘッドからさらに遠ざかる方向に延びる直線部を有する、
　請求項１に記載の内燃機関。
　前記凹部壁を前記底壁に沿って見た場合には、陸上トラック型の楕円形状であり、
　前記凹部壁は、円周上に沿って、所定のピッチで複数個配置され、
　隣接する前記凹部壁の間には、区画壁が設けられ、
　複数の前記凹部壁毎に、前記段差部が設けられている、
　請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
　前記中心軸から前記凹部壁の前記段差部までの第１水平間距離とし、前記段差部を含み前記凹部壁の底面の最外部までの第２水平間距離とした場合の長さの比は、約２：１となる比よりも前記第２水平間距離の方が小さい、
　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関。